得益于新型終端市場(chǎng)和不同封裝方式對(duì)更先進(jìn)的設(shè)計(jì)、工藝及新材料的需求，微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）行業(yè)的未來(lái)前景越來(lái)越廣闊。但這一切都意味著MEMS產(chǎn)品的售價(jià)更高嗎？

　　據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，多年來(lái)，MEMS市場(chǎng)混跡著太多公司，但無(wú)奈機(jī)會(huì)又太少。雖然有些器件逐漸商品化，但其成本無(wú)法跟上售價(jià)下降的步伐。即使是在某一更專業(yè)、利潤(rùn)更高的領(lǐng)域，如基于MEMS技術(shù)的麥克風(fēng)和揚(yáng)聲器行業(yè)，市場(chǎng)規(guī)模也太小，只能支撐少數(shù)幾家MEMS公司的運(yùn)營(yíng)。

　　但在過(guò)去一年里，整個(gè)MEMS市場(chǎng)格局發(fā)生了顯著改變。與半導(dǎo)體領(lǐng)域的其他行業(yè)一樣，MEMS行業(yè)也經(jīng)歷了一些引人注目的合并和收購(gòu)：博通并入安華高（370億美元），TDK收購(gòu)應(yīng)美盛（13億美元），高通簽署收購(gòu)恩智浦/飛思卡爾的協(xié)議（470億美元）。這樣一來(lái)，可正面競(jìng)爭(zhēng)的就剩幾家大公司，這將對(duì)市場(chǎng)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響，這也是價(jià)格下降最快的原因（見(jiàn)下圖）。盡管商品化將會(huì)繼續(xù)，但供應(yīng)商預(yù)計(jì)價(jià)格下降速度將會(huì)比過(guò)去慢。


　　與此同時(shí)，汽車、無(wú)人機(jī)、機(jī)器人、物聯(lián)網(wǎng)和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等市場(chǎng)上正出現(xiàn)新機(jī)遇，這些均需要更加復(fù)雜的MEMS設(shè)計(jì)。

　　傳感器中樞（Sensor Hub）將是未來(lái)趨勢(shì)

　　MEMS一直是兩種獨(dú)立市場(chǎng)的統(tǒng)稱。一種是數(shù)十億計(jì)的智能手機(jī)和平板電腦中都使用的陀螺儀、加速度計(jì)和磁力計(jì)。這些芯片很難開發(fā)、封裝和測(cè)試，但需求量如此大的產(chǎn)品還是吸引了許多公司，并產(chǎn)生激烈的競(jìng)爭(zhēng)。盡管產(chǎn)品需求量很高，但在2015年至2016年期間，此領(lǐng)域的公司幾乎沒(méi)有出現(xiàn)顯著增長(zhǎng)。

　　規(guī)避這一趨勢(shì)的最新策略是建立傳感器中樞（Sensor Hub），MEMS供應(yīng)商正在為汽車和物聯(lián)網(wǎng)等市場(chǎng)開發(fā)新器件。這超出了傳感器融合的范圍。其目標(biāo)是為傳感器整合成為標(biāo)準(zhǔn)化的格式，這基本上就是一個(gè)即插即用的平臺(tái)。這將降低芯片制造商在設(shè)計(jì)、制造和銷售的成本，同時(shí)系統(tǒng)供應(yīng)商將更加容易定制和集成。這增加了雙方的可預(yù)測(cè)性。

　　意法半導(dǎo)體MEMS產(chǎn)品營(yíng)銷的高級(jí)經(jīng)理人Jay Esfandyari認(rèn)為，“如今的趨勢(shì)是將這種能力應(yīng)用到傳感器中，使其可用于Sensor Hub中。即使確實(shí)有能力，但并不意味著你必須把它放到Sensor Hub。因此你可能想將加速度計(jì)和陀螺儀集成在Sensor Hub，你可能還想添加磁力計(jì)或者壓力傳感器，或者你想要所有傳感器集成到一起。用戶可以選擇其想要的傳感器，并將其連接到模組?！?

　　這些步驟聽起來(lái)非常直接，但實(shí)際情況要復(fù)雜的多。問(wèn)題是如何將這些Sensor Hub集成到更大的系統(tǒng)中。為此在諸多市場(chǎng)引發(fā)了討論，如何在這些系統(tǒng)中篩選數(shù)據(jù)處理。隨著越來(lái)越多的傳感器添加進(jìn)來(lái)，會(huì)導(dǎo)致成本更昂貴，處理所有的數(shù)據(jù)速度也實(shí)在太慢。某些數(shù)據(jù)需要在本地處理，但具體有多少尚不清楚。

　　Rambus公司的杰出發(fā)明家Steven Woo表示，“其中一個(gè)大問(wèn)題是，如何利用輸入來(lái)決定什么更重要。該如何理解這所有數(shù)據(jù)？目前正在進(jìn)行大量探索，如今已有許多工具可在一個(gè)地方就完成所有事情?！?br />
　　此觀點(diǎn)得到整個(gè)行業(yè)的認(rèn)同，西門子旗下Mentor的Deep Submicron Division部門的電子設(shè)計(jì)系統(tǒng)的產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Jeff Miller認(rèn)為，“我們看到MEMS市場(chǎng)上傳感器的融合，尤其是當(dāng)這些公司試圖在系統(tǒng)中增加更多價(jià)值。與標(biāo)準(zhǔn)MEMS傳感器相比，具有多重自由度和多路存儲(chǔ)GPU的集成傳感器可提供更大的價(jià)值。但需要更多集成來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的融合，如你拆開Amazon Echos音響，你會(huì)發(fā)現(xiàn)七個(gè)精心安排的MEMS麥克風(fēng)，以便實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)場(chǎng)語(yǔ)音檢測(cè)。這里需要多種傳感器融合才能分辨出不同的的聲音。與IMU（慣性測(cè)量單元）結(jié)合是一種很好的方法，可以為傳感器增加價(jià)值，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品差異化。這通常涉及到使用處理器。”

　　集成問(wèn)題

　　除了集成度越來(lái)越高外，系統(tǒng)供應(yīng)商還需要了解這些器件之間是如何相互作用的。和大多數(shù)芯片一樣，MEMS器件對(duì)熱量很敏感，這很可能會(huì)影響其在汽車等極端環(huán)境中的性能。但由于MEMS器件涉及電子和機(jī)械結(jié)構(gòu)，對(duì)振動(dòng)及其他類型噪聲也很敏感。這就需要更全面的特性描述。

　　泛林集團(tuán)旗下Coventor公司的MEMS高級(jí)主管Stephen Breit認(rèn)為，“當(dāng)所有器件集成在同一顆芯片或封裝在一起時(shí)，其特性描述就會(huì)變得更加困難，而且不同類型傳感器表現(xiàn)的特性均是不同的。陀螺儀和加速度計(jì)集成在一起會(huì)出現(xiàn)交叉耦合效應(yīng)。陀螺儀有一種驅(qū)動(dòng)模式，它可在很近距離與傳感器耦合?！?br />
　　有些方法是可以改善這些問(wèn)題的。例如，陀螺儀的振動(dòng)可以像其他任何噪聲一樣被消除。由于此類振動(dòng)的頻率可以預(yù)測(cè)，因此可被過(guò)濾掉。但這種噪聲也可被理解為附近其它器件的信號(hào)，因此在面對(duì)此類問(wèn)題時(shí)不能只考慮單一MEMS器件。

　　Breit補(bǔ)充道，“特性描述也非常具有情境性的。例如在慣性傳感器作用下，面臨的大問(wèn)題就是正交效應(yīng)，即感應(yīng)軸之間的耦合。產(chǎn)生這種情況的原因有許多。其中一些是制造過(guò)程產(chǎn)生的偏差，因此必須在每一代器件設(shè)計(jì)都要優(yōu)化?！?br />
　　此領(lǐng)域幾乎沒(méi)有什么歷史或經(jīng)驗(yàn)可參考。一方面是由于器件本身在不停地優(yōu)化，潛在的交互作用均是未知的。另一方面是因?yàn)檫@些器件一直被用于如無(wú)人機(jī)和機(jī)器人等新市場(chǎng)，或是如汽車行業(yè)等不斷發(fā)展的市場(chǎng)中。在所有此類領(lǐng)域中，并沒(méi)有未來(lái)如何使用技術(shù)的路線圖，也不知道最終將在同樣的系統(tǒng)或封裝中集成什么。

　　應(yīng)用材料公司200mm設(shè)備團(tuán)隊(duì)的戰(zhàn)略和技術(shù)營(yíng)銷總監(jiān)Mike Rosa認(rèn)為，“一些企業(yè)正在尋找一套整體解決方案，尤其是在封裝領(lǐng)域。你可以看到，一些公司將MEMS與ASIC、TSV集成在一起，但他們希望整個(gè)流程都能在一次封裝中實(shí)現(xiàn)端到端的集成，直接出貨給全球外包半導(dǎo)體封裝測(cè)試商（OSAT）。我們所面臨的挑戰(zhàn)就是如何支持這一切。”

　　精度至關(guān)重要

　　許多MEMS終端市場(chǎng)行業(yè)對(duì)MEMS提出了更高精度的需求。例如，在先進(jìn)駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）中使用的汽車加速度計(jì)，要比智能手機(jī)中使用的加速度計(jì)更精確。雖然這可以增加其附加價(jià)值和賣出更高的價(jià)格，但工程量和工作的復(fù)雜性也顯著增加。在某些情況下，則需要新的技術(shù)組合。

　　Coventor公司的Breit認(rèn)為，“自動(dòng)駕駛汽車對(duì)精確度的要求比安全氣囊或防側(cè)翻的要求高得多，一旦超過(guò)閾值就要測(cè)量到。現(xiàn)在，慣性傳感器已在航位推算（dead reckoning）中使用了一段時(shí)間。目前企業(yè)們正在競(jìng)相努力將這些器件做到更高規(guī)格，只有獲得真正的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)才能確保在這場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中居于首位。”

　　這個(gè)工作量可并不輕松。意法半導(dǎo)體的Esfandyari認(rèn)為，“設(shè)計(jì)滿足需要的器件，需要考慮噪聲的偏壓及穩(wěn)定性、溫度及靈敏度。需要減少噪聲，增加偏壓穩(wěn)定性，并提高分辨率。因此1000度/秒的陀螺儀現(xiàn)在需達(dá)到4000度/秒，而且本底噪聲需要非常低，有些工作是在ASIC上完成的，在ASIC上對(duì)噪聲進(jìn)行平均處理或消除，同時(shí)也必須確保IC是低噪聲的。”

　　為提高精確度，有些器件還需要新材料。

　　應(yīng)用材料公司的Rosa認(rèn)為，“器件的架構(gòu)沒(méi)有改變，但其規(guī)格越來(lái)越嚴(yán)格了。指紋識(shí)別傳感器和麥克風(fēng)正在將硅電容材料變成基于壓電的材料。以前麥克風(fēng)結(jié)構(gòu)側(cè)壁的斜度在±0.5度左右。而在實(shí)際加工中，晶圓中心處的器件結(jié)構(gòu)側(cè)面陡直，晶圓邊緣處的器件會(huì)超出這個(gè)范圍。這會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正交誤差，例如，可能會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為手機(jī)是傾斜的。因此目前規(guī)格是傾斜度在±0.5到±0.3度之間?！?br />
　　指紋識(shí)別傳感器也在改變，需要在器件中增加更多安全措施。新器件可以使用激光讀取手指凹槽中的指紋。Rosa補(bǔ)充道，“我們的客戶正在為此尋找新的光學(xué)薄膜，將III-V族材料集成到硅晶圓上，以及開發(fā)新的光學(xué)涂層?！?br />

圖2 USound公司基于MEMS的揚(yáng)聲器

　　物聯(lián)網(wǎng)/工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IoT/IIoT）

　　即便使用成本較低的器件，也會(huì)涉及更多相關(guān)工程技術(shù)。進(jìn)入的門檻正在提高，而開發(fā)這些器件所需的基礎(chǔ)專業(yè)水平也在提升。

　　Sondrel公司的銷售副總裁John Tinson認(rèn)為，“要實(shí)現(xiàn)微程序控制器（MCU）更多的智能，需要使用便宜的傳感器，然后將更多精力放在處理從這些傳感器傳回的信號(hào)上。如果減少元器件數(shù)量，就會(huì)減少整個(gè)單位總數(shù)。這是一種方法，但設(shè)計(jì)復(fù)雜，因?yàn)樘煜聸](méi)有免費(fèi)的午餐。Sensor hubs是一個(gè)不錯(cuò)的設(shè)計(jì)方向，它們將會(huì)更受歡迎。”

　　這引發(fā)了一些問(wèn)題，即Sensor Hub是否會(huì)取代其它器件，或者與其共存。ARM系統(tǒng)與軟件組的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）產(chǎn)品經(jīng)理Mike Eftimakis認(rèn)為將會(huì)是后者，尤其是需要使用的傳感器越來(lái)越多，以及傳感器產(chǎn)生的所要處理的數(shù)據(jù)也會(huì)越來(lái)越多。

　　Eftimakis認(rèn)為，“物聯(lián)網(wǎng)（IoT），通常指的是從現(xiàn)場(chǎng)獲得數(shù)據(jù)，并將其上傳至云端。如果用數(shù)十億或數(shù)萬(wàn)億的器件來(lái)完成這些事情，就不可能把所有數(shù)據(jù)都傳輸?shù)皆贫?。因此需要做一些前處理。如果將所有器件集成在同一個(gè)芯片上，就是傳感器融合。但是，也可以通過(guò)網(wǎng)關(guān)處理器或其他一些RTF（富文本格式）的過(guò)渡狀態(tài)來(lái)完成，然后在傳入云端。因此，在邊緣處理的需求將越來(lái)越多，在本地處理越來(lái)越多的數(shù)據(jù)的需求也在增加。”

　　無(wú)論哪種情況，這對(duì)MEMS世界來(lái)說(shuō)都是好消息，因?yàn)樵S多傳感器都是基于機(jī)械和電子元件集成的。這些好處可從前端設(shè)計(jì)一直延伸到制造和材料。

　　UMC特種技術(shù)部門的助理副總裁Wenchi Ting說(shuō)，“28/22nm射頻（RF）節(jié)點(diǎn)的基礎(chǔ)擴(kuò)張和MEMS傳感器工藝技術(shù)的發(fā)展是支持自動(dòng)駕駛廣泛應(yīng)用的兩大關(guān)鍵因素，而基于云計(jì)算的基礎(chǔ)設(shè)施將處理大規(guī)模的機(jī)器對(duì)機(jī)器（M2M）的數(shù)據(jù)處理需求。”

　　結(jié)論

　　隨著進(jìn)入市場(chǎng)的互聯(lián)器件越來(lái)越多，將物理世界與數(shù)字世界連接起來(lái)需要海量的傳感器。許多都將基于MEMS技術(shù)，專用性更強(qiáng)、精度更高的器件使用比例會(huì)逐漸提高。對(duì)于MEMS市場(chǎng)而言，從新市場(chǎng)到高附加價(jià)值的硅片，在許多方面都很有前景。但目前的工作也更加艱難了，那些在此領(lǐng)域領(lǐng)先的公司有望攫取更大的市場(chǎng)份額。